(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンの燃焼室内に水噴射弁から水を噴射することによってＮＯｘ低減を図る一方、燃費の悪化を抑制する。【解決手段】ディーゼル機関の燃焼室１７内に水噴射弁１６から水ｗを噴射することによってＮＯｘの低減を図るようにしたディーゼル機関のＮＯｘ低減方法である。前記水噴射弁１６から燃焼室１７内への水噴射を（ピストンの圧縮工程の）下死点後クランク角度１１５°〜１５５°の範囲内で行う。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼル機関の燃焼室内に水噴射弁から水を噴射することによってＮＯｘの低減を図るようにしたディーゼル機関のＮＯｘ低減方法において、前記水噴射弁から燃焼室内への水噴射をピストンの圧縮工程の下死点後クランク角度１１５°〜１５５°の範囲内で行うことを特徴とするディーゼル機関のＮＯｘ低減方法。
【請求項２】
前記水噴射弁を燃料噴射弁の設置位置からスワールの流動方向に対して逆方向に５０°〜７０°離れた位置に設ける一方、前記水噴射弁からシリンダ中心軸に垂直な平面に対して２５°〜５５°下向きの方向に水を噴射させることを特徴とする請求項１記載のディーゼル機関のＮＯｘ低減方法。
【請求項３】
燃料噴射弁から燃焼室内に噴射する燃料の容量に対し、水噴射弁から燃焼室内に噴射させる水の容積比を５０〜８０Vol ％の範囲とする請求項２記載のディーゼル機関のＮＯｘ低減方法。
【請求項４】
ディーゼル機関が船舶又は発電設備用のディーゼル機関であって、馬力３００〜８０００ＢＨＰ／１シリンダ、回転数４０〜３００ｒｐｍ、ピストン容積５０〜２１００Ｌ／１シリンダである請求項２記載のディーゼル機関のＮＯｘ低減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶、あるいは発電設備の動力源として広く使用されている大型、低速で、かつ、直噴式のディーゼルエンジンにおいて、Ａ重油や粗悪重油などの燃料油の燃焼により発生する窒素酸化物（以下、ＮＯｘと称する）を抑制するため、ディーゼルエンジンの燃焼室内に水を噴射する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料を燃料噴射弁から燃焼室内に噴射する一方、水噴射弁から燃焼室内に水を噴射する水噴射機構を有する内燃機関において、前記水噴射機構を、圧縮工程の前半に燃焼室内に水を噴射するように構成した内燃機関の水噴射装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、図９及び図１０に示すように、燃料噴射孔（１５）からの燃料噴射と、水噴射孔（２６）からの水噴射とを同時に行うと共に、水噴射孔（２６）からの水噴射を噴射火炎（Ｆ）の最高温度部分（２７）に向かって行うようにしたディーゼル機関用燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
また、図１１に示すように、水噴射用モジュール（１２）の水噴射口（１４）と、燃料噴射弁（１０）の燃料噴射口とを各噴射口（１４），（１０）によって設定されたそれぞれの噴射経路が互いに交差するように設置させた内燃機関が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平５−１９５８００号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】特開平９−１２６０８４号公報（第３頁、図１及び図２）
【特許文献３】特開平９−１２６０８４号公報（第３頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のように、圧縮工程の前半に水噴射弁から燃焼室内に水を噴射すると、圧縮行程における仕事量を抑制することができる。すなわち、水噴射弁からの水噴射によって燃焼室内の温度上昇が抑えることができるため、断熱圧縮に比べて圧力上昇が小さくなる効果が期待できる。
【０００６】
しかしながら、この方式は、燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射タイミングよりもかなり前、すなわち、圧縮行程の前半に水噴射弁から燃焼室内に水を噴射するために、水噴射弁から燃焼室内に噴射された水がシリンダ内に広く分散することになるため、局所的な高温部の温度を効果的に低下させることが困難になる。また、水噴霧弁からの水噴霧がシリンダの内壁面に到達する可能性があり、燃焼室の部位に腐食などの弊害をもたらす恐れがある。
【０００７】
また、特許文献２のように、燃料噴射孔（１５）からの燃料噴射と、水噴射孔（２６）からの水噴射とを同時に行う場合は、水と燃料とを接近した位置から噴射することになる。この場合には、両者の噴射弁を一体化するなどの構造上の工夫が必要となる。その上、スペース的に限られた燃料室の部品に取り付けるために複雑な構造となり、設計、製作費およびメンテナンス費が割高になる。また、水は上死点付近で噴射されることになるため、前述したように、圧縮行程の前半で燃焼室内に水を噴射する効果、すなわち、圧縮仕事の低減効果について期待することができない。
【０００８】
最後に、特許文献３のように、水噴射用モジュール（１２）の水噴射口（１４）と、燃料噴射弁（１０）の燃料噴射口とを各噴射口（１４），（１０）によって設定されたそれぞれの噴射経路が互いに交差するように設置させた場合には、燃焼を損なわないように均一に混合すれば、エマルジョン燃料並みのＮＯｘ低減効果を期待することが可能であると思われるが、混合状況が好ましくなければ、噴射した水の噴射量に見合うだけのＮＯｘ低減効果を得ることができないばかりでなく、燃費も悪化する恐れがある。
【０００９】
一般に、燃焼室内に燃料が噴射されて着火燃焼すると、燃料の分布や燃え方によって局所的に高温領域が生じ、その温度レベルに応じてＮＯｘが生成されることになる。燃料の燃焼によって温度レベルが高くなる高温部分に対して水を噴射させて温度低下、すなわち、ＮＯｘ低減を図る技術がいろいろ提案されているが、その効果は燃料噴射と水噴射のタイミングによって異なってくる。つまり、燃料噴霧に対して水噴射のタイミング、位置、方向をどのように選択するかによってＮＯｘの低減及び燃費悪化防止が異なってくる。
【００１０】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、ディーゼルエンジンの燃焼室内に水噴射弁から水を噴射することによってＮＯｘ低減を図る一方、燃費の悪化を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明のディーゼル機関のＮＯｘ低減方法は、ディーゼル機関の燃焼室内に水噴射弁から水を噴射することによってＮＯｘの低減を図るようにしたディーゼル機関のＮＯｘ低減方法において、前記水噴射弁から燃焼室内への水噴射を（ピストンの圧縮工程の）下死点後クランク角度１１５°〜１５５°の範囲内で行う。
【００１２】
また、そのタイミングで前記水噴射弁を燃料噴射弁の設置位置からスワールの流動方向に対して逆方向に５０°〜７０°離れた位置に設ける一方、前記水噴射弁からシリンダ中心軸に垂直な平面に対して２５°〜５５°下向きの方向に水を噴射させれば効果が大きい。
【００１３】
また、本発明のディーゼル機関のＮＯｘ低減方法は、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射する燃料の容量に対し、水噴射弁から燃焼室内に噴射させる水の容積比を５０〜８０Vol ％の範囲とするものである。
【００１４】
ここで、ディーゼル機関は、船舶又は発電設備用のディーゼル機関であって、馬力３００〜８０００ＢＨＰ／１シリンダ、回転数４０〜３００ｒｐｍ、ピストン容積５０〜２１００Ｌ／１シリンダである。
【発明の効果】
【００１５】
上記のように、本発明のディーゼル機関のＮＯｘ低減方法は、ディーゼル機関の燃焼室内に水噴射弁から水を噴射することによってＮＯｘの低減を図るようにしたディーゼル機関のＮＯｘ低減方法において、前記水噴射弁から燃焼室内への水噴射を（ピストンの圧縮工程の）下死点後クランク角度１１５°〜１５５°の範囲内で行う。
【００１６】
また、そのタイミングで前記水噴射弁を燃料噴射弁の設置位置からスワールの流動方向に対して逆方向に５０°〜７０°離れた位置に設ける一方、前記水噴射弁からシリンダ中心軸に垂直な平面に対して２５°〜５５°下向きの方向に水を噴射させるため、従来の船舶あるいは発電設備用のディーゼル機関に比べてＮＯｘを大幅に低減させることが可能になった（ＮＯｘ低減率６５％）。また、燃費の悪化を２％に抑制することができた（図７参照）。
【００１７】
その理由は、圧縮行程の後半に当たるクランク角度１１５°〜１５５°のタイミングで燃焼室内に水噴射弁から水を噴射する一方、スワールの流動方向に対して燃料噴射弁の上流側に位置している水噴射弁から水を噴射するため、水噴射弁から噴射された水がスワールによって流されてほぼ燃料噴射弁の近傍に到達した時点で燃料噴射弁から燃料が噴射されることになることから、局所的な高温領域の発生が抑制されることになる。その結果、ＮＯｘの発生を効果的に抑制することができる。
【００１８】
また、圧縮工程の後半に相当するクランク角度１１５°〜１５５°のタイミングで燃焼室内に水を噴射することによって圧縮工程での損失仕事が減り、燃焼温度低下に起因する効率悪化を補うことができるため、燃費の悪化を抑えることができる。
【００１９】
また、本発明によれば、燃焼室内の最高圧力を水噴射無しの場合と同一レベルとなるような調整を行った場合、燃料噴射量に対し、容積比で約６割の水を噴射することによって燃費を悪化させることなく、ＮＯｘの低減率を４５％以上とすることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明に適用するディーゼルエンジンの断面図、図２は図１のＡ−Ａ’断面図である。
【００２１】
図１において、１０は、例えば、船舶、あるいは発電設備の動力源として適用する大型で、かつ、大馬力の２サイクルのディーゼルエンジンであり、燃料としてＡ重油や粗悪重油などの燃料油を使用している。
【００２２】
この種のディーゼルエンジンとしては、例えば、馬力３００〜８０００ＢＨＰ／１シリンダ、回転数４０〜３００ｒｐｍ、ピストン容積５０〜２１００Ｌ（１シリンダ当たりのストロークボリューム）のディーゼルエンジンを挙げることができる。
【００２３】
ディーゼルエンジン１０は、エンジン頂部に排気弁１１を有する一方、シリンダライナー１２の側面に掃気ポート１３を有している。この掃気ポート１３は、下死点に位置するピストン１４の上面に臨むように設けられている。
【００２４】
図２に示すように、このディーゼルエンジン１０は、シリンダライナー１２に対して放射線状に設けられた多数の掃気ポート１３からシリンダライナー１２内に流入した空気ａは、シリンダ上部から見て反時計方向のスワールｓを発生するようにしている。
【００２５】
図１に示すように、シリンダライナー１２の上部に設けたシリンダカバー１５には、一対の水噴射弁１６が装着されている。尚、図中、１７はピストン１４、シリンダライナー１２、シリンダカバー１５及び排気弁１１によって囲まれた燃焼室、１８は掃気室を示している。
【００２６】
図４に示すように、水噴射弁１６は、燃料噴射弁１９が設置されている位置からスワールｓの流動方向（図では、反時計方向。）に反対又は逆の方向（時計方向）にα（５０°〜７０°）だけ離れた位置に設けられている。その上、図３に示すように、シリンダ、すなわち、シリンダライナー１２の中心軸２０に垂直な平面２１に対してβ（２５°〜５５°）だけ下向きの方向に水ｗを噴射するようになっている。一方、燃料噴射弁１９は、シリンダライナー１２の中心軸２０に垂直な平面２１に対してγ（７°〜１２°）だけ下向きの方向に燃料油ｏを噴射するようになっている。
【００２７】
一方、燃焼室１７内への水噴射開始タイミングは、ピストン１４の圧縮工程の下死点後クランク角度１１５°〜１５５°の範囲、より好ましくはクランク角度１１５°〜１４０°の範囲内で行うようにしている（図５（ｂ）参照）。また、燃焼室１７内への燃料油噴射開始タイミングは、ピストン１４の圧縮工程の下死点後クランク角度１６５°〜２００°の範囲内で行うようにしている（図５（ａ）参照）。
【００２８】
また、水噴射弁１６から燃焼室１７内に噴射する水ｗの噴射量は、燃料油ｏの噴射容量に対して容積比（水／燃料油）５０〜８０Vol ％の範囲が望ましい。ここで、燃料噴射弁１９から燃焼室１７内に噴射する燃料油ｏの容量に対し、水ｗの容積比（水／燃料油）が４５Vol ％未満になると、ＮＯｘ比が高くなる（図８参照）。
【００２９】
今、上記の位置に設置された水噴射弁１６から燃焼室１７内に、シリンダライナー１２の中心軸２０に垂直な平面２１に対してβ（２５°〜５５°）だけ下向きの方向に水ｗを噴射すると、水ｗは、図６（ａ）に示すように、２点鎖線で示すように拡散する。符号３０は、水ｗの拡散域を示している。
【００３０】
この拡散域３０は、反時計方向に回転しているスワールｓによって流され、ほぼ燃料噴射弁１９の設置位置に到達した時点で燃料噴射弁１９から水ｗの拡散域３０内に噴射されるため、燃料噴射弁１９から噴射された燃料油ｏは、水ｗの雰囲気内で燃焼することになり、局部的な高温領域の発生が抑制されることになる。このため、燃焼温度の急激な上昇が回避され、ＮＯｘの排出濃度が低く抑えられる（図７参照）。同時に、燃費の悪化も低く抑えられる（図７参照）。
【００３１】
因に、燃焼室１７内に噴射される燃料の容量に対し、容積比で約６割の水を上記の条件下で噴射すると、ＮＯｘの低減率６５％、燃費の悪化を２％に抑えられる。
【００３２】
その理由は、燃料噴射に先立って、つまり、圧縮工程の下死点後クランク角度１１５°〜１５５°のタイミングで燃焼室１７内に噴射された水が燃料噴射による温度上昇を抑えることにより、ＮＯｘの低減効果が得られたものである。また、圧縮工程の下死点後クランク角度１１５°〜１５５°のタイミングで燃焼室１７内に水が噴射されることにより、圧縮工程での損失仕事が減り、燃焼温度低下による効率悪化を補うことにより、燃費の悪化が抑えられたものである。
【００３３】
また、燃焼室内の最高圧力を水噴射無しの場合と同一レベルとなるような調整を行うと、燃料に対する容積比で約６割の水を噴射することにより、燃費を悪化させることなく、ＮＯｘの低減率４５％以上という効果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に適用するディーゼルエンジンの断面図（図４のＢ−Ｂ’断面図）である。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】図４のＣ−Ｃ’断面図である。
【図４】本発明に適用するディーゼルエンジンの一部断面を含む平面図である。
【図５】（ａ）燃料噴射開始タイミングを示すグラフ、（ｂ）水噴射開始タイミングを示すグラフである。
【図６】（ａ）水噴射の説明図、（ｂ）燃料油噴射の説明図である。
【図７】ＮＯｘ排出濃度と水噴射開始タイミングとの関連を示すクラフである。
【図８】ＮＯｘ比とＳＦＯＣ比との関連を示すクラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ディーゼル機関
１４  ピストン
１６  水噴射弁
１７  燃焼室
１９  燃料噴射弁
２０  シリンダ中心軸
２１  平面
ｓ  スワール
ｗ  水
ｏ  燃料油
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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